水洞沟水库二维水流运动数值模拟

水洞沟水库二维水流运动数值模拟

杨程;李春光;景何仿;吕岁菊

【摘要】In order to predict the sedimentation deposition in the Shuidonggou Reservoir in next few years, the flow in this reservoir is studied using a two dimensional (2-D) hydraulic mathematical model, and the governing equations are modeled with finite volume method (FVM) on unstructured grids. Using the measured data to verify the correctness of the model, and then the 2-D flow movement of several different conditions was simulated. The results show that: when the amount of the water inflow and with the same quantity of the water drawn are the same and unchanged, as the water level drops, water flow velocity increases in the reservoir;the water directly flows to the water intake point, gradually shift to the right bank deviation, and then shift to the left, gradually transformed along the left bank and flow to the intake;the recirculation zone on the left of the water intake point becomes smaller, and the effects of the influent on the right recirculation zone increases gradually. When the amount of the water inflow and quantity of water drawn are not the same and unchanged, as the water level drops, water flow velocity increases in the reservoir;the water directly flows to the tail dam, and then gradually to the right bank deviation, and the effects of the influent on the water intake point increases gradually. Through the simulation of different conditions, movement of the flow in the reservoir was obtained. Combined the measured sediment concentration of the water inlet and water intake,

the sedimentation deposition in the reservoir is analyzed and some management suggestions are put forward.%为了预测未来几年水洞沟水库的

冲淤情况，在考察库区水流运动规律的基础上，建立平面二维水流运动数学模型，采用非结构网格的有限体积法，利用实测流场数据验证了所建数学模型的正确性。采用该模型对不同工况下水洞沟水库的平面二维水流运动进行数值模拟。结果表明：当进水量与取水量相同且不变时，随着水位的下降，库区流速增大；进水直接流向取水口，然后逐渐向右岸偏移，再向左岸偏移，最后转变为贴着左岸流向取水口；取水口左侧回流区逐渐变小，右侧回流区受进水影响逐渐增大。当进水量大于取水量且不变时，随着水位的下降，库区流速增大，进水主流先向尾坝流动，逐渐偏移为向右岸流动，取水口附近流场受进水影响逐渐增大。通过对不同工况的水流运动数值模拟，得到库区水流运动基本规律，结合进水口、取水口泥沙含量实测数据对库区冲淤情况进行分析，并提出了一些水库运行管理的建议。

【期刊名称】《水利水电科技进展》

【年(卷),期】2013(000)006

【总页数】5页(P56-60)

【关键词】水洞沟水库;平面二维水流模型;非结构网格;有限体积法;数值模拟

【作者】杨程;李春光;景何仿;吕岁菊

【作者单位】北方民族大学土木工程学院，宁夏银川 750021;北方民族大学土木

工程学院，宁夏银川 750021;北方民族大学土木工程学院，宁夏银川 750021;北方民族大学土木工程学院，宁夏银川 750021

【正文语种】中文

【中图分类】TV145

水洞沟水库是内蒙古上海庙能源化工基地、宁夏红墩子能源化工基地供水工程调蓄水库,提供生产、生活用水。水库以黄河为取水水源,设计总库容为1039万m3。水库淤积与水库运行方式有着密切的关系,采用合理的运行方式可减少库区淤积量,从而延长水库的使用寿命。泥沙运动与水流运动有着密切的联系,所以应先弄清楚库区水流运动的规律。本文建立了平面二维水流数学模型,运用非结构网格有限体积法对多种工况下水库平面二维水流运动进行数值模拟研究,以期找到水库水流运动的规律,为进一步研究库区的泥沙运动打下基础。

沿水深平均的平面二维RNGk-ε紊流数学模型[1-4]包括连续性方程、x方向动量方程、y方向动量方程、k方程和ε方程,其通用方程为

式中:h为水深;Φ为通用变量;U为网格单元的流速矢量;ΓΦ为扩散系数;SΦ为源项;I 为紊动强度,一般可取为10％;Uin为进口断面平均流速,可根据流量与断面平均流速的关系计算得到;R为水力半径。其他物理量符号含义及其计算公式见文献[2]。模型采用格心格式的中心有限体积法离散,将变量存储在单元的中心,单元的边界为控制体。对式(1)在控制单元上求体积分并利用高斯定理将体积分转化为面积分: 式中:A为控制单元的面积;n为网格界面上的法向量。

通过构造辅助点,利用有限体积法可对式(4)进行离散,其中瞬态项和源项的离散与结构网格一样,即瞬态项采用向前差分,源项采用线性化处理,具体过程可参见文献[5]。单元面的各通量项的离散表达式及压力校正方程的离散参见文献[6]。

2.1 模拟区域及网格剖分

水库运行初期地形的详细描述见文献[7],水库的设计水位为1180m,本文选择1183m等高线作为计算边界,则模拟区域东西长约1.2km,南北宽约1 km。水洞沟水库的模拟区域及取水口、进水口等位置如图1所示。采用前沿推进法[8-9]在计算区域内生成三角形网格,共有3 567个节点,6 841个单元,如图2所示。